Neželezné kovy
Pavel Švanda
University of Pardubice
DFJP – KMMČS
Vývoj materiálů nejstarší používané materiály - kámen a dřevo
cihly - Sumerové v Mezopotámii již před více než
4000 lety
beton - znovuobjevený materiál v novověku, již staří
Egypťané přibližně 2 500 let př. n. l.
mosaz - již asi 1000 let př. n. l. (výroba obtížná a
byla drahá ⇒ pouze šperky a mince) ⇒ rozmach až
v 18. stol
svařování – nejprve kovářské; 18. stol. plamen,
konec 19. stol. elektrický oblouk
litina - významná metalurgická inovace středověku
(15. stol.); ALE! v Číně se litina vyráběla již od 4.
století př. n. l.
2
total 33
3
total 33
Čistota kovů
surový kov: 3-5 % nečistot
technicky čistý kov: do 1 % nečistot (žárová
rafinace)
el. rafinovaný kov: do 0,5 % nečistot (kat. Cu, Ni,
Co, Zn)
pro speciální účely: čistota spektrální, fyzikální,
polovodičová (p.p.), pro analýzu (p.a.), nukleární,
ČSL, …
jednotky pro vyjádření nízkých koncentrací
• ppm…6 N …10-4 % nečistot
• ppb …9 N …10-7% nečistot
4
total 33
Neželezné kovy –
Charakteristika - rozdělení - použití
neželezné kovy – ostatní kovy z periodické tabulky a
jejich sliny kromě Fe
ze všech dosud známých prvků tvoří asi tři čtvrtiny
kovy
řadu neželezných kovů lze označit jako deficitní -
nedostatek rud nebo obtížná výroba ⇒ vysoká cena
neželezné kovy používají v případech, kdy lze plně
využít jejich specifických vlastností
pokud je to možné, nahrazují se neželezné kovy a jejich
slitiny nekovovými materiály ⇒ cena
neželezné kovy se uplatňují především jako legující
prvky ve slitinách Fe, dále v elektrotechnice, tepelné
technice, ve šperkařství a v řadě dalších speciálních
aplikací5
total 33
ROZDĚLENÍ NEŽELEZNÝCH KOVŮ
čisté kovy v podstatě představují jednotlivé kovové
prvky, proto lze k rozdělení kovů využít periodickou
soustavu prvků
z technického hlediska je však nejčastější dělení kovů
1. kovy s nízkou teplotou tání: Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi
2. lehké kovy : AI, Mg, Be, Ti
3. kovy se střední teplotou tání: Cu, Ni, Mn, Co
4. ušlechtilé kovy : Au, Ag, Pt, Rh, Pd, Ir, Os
5. kovy s vysokou teplotou tání: Cr, W, V, Mo, Ta, Nb
6. rozptýlené kovy Sc, Y, La a lanthanoidy at.č. 58-71
7. radioaktivní kovy, transurany, aktinoidy
• přirozené: U, Th, Ra, Pa, Ac, Fr, Po, (At)
• transurany a aktinoidy: at.č. 93-103
• transaktinidy: at.č. 104- ??? 6
total 33
KOVY S NÍZKOU TEPLOTOU TÁNÍ
technicky nejvýznamnější jsou olovo, cín, zinek
OLOVO - Pb
11340 kg/m3, Ttá = 327°C
Pb je kov šedé barvy, velmi měkký a dobře tvárný,
dobře odolává silným anorganickým kyselinám
je to špatný vodič tepla a elektrického proudu
Pb je jedovaté, proto se nesmí používat v
potravinářství
hlavní oblasti použití Pb - ochrana nádob a potrubí
při výrobě H2SO4, elektrody v autobateriích,
ochrana proti radiaci (rentgenové záření, některé
radioizotopy), slitiny Pb - měkké pájky
PbO2 + Pb + 2 H2SO4 ⇄ 2 PbSO4 + 2 H2O
7
total 33
CÍN - Sn
7265 kg/m3, Ttá = 232°C
Sn je stříbrobílý kov, dobře tvárný, poněkud tvrdší než
Pb, ale stále velmi měkký
Sn dobře odolává korozi, je stálý na vzduchu i ve vodě,
neodolává kyselinám
hlavní oblasti použití Sn - asi polovina vyrobeného Sn
se spotřebovává na povrchovou ochranu předmětů
zejména pro potravinářské účely (staniol, pocínovaný
plech),
druhá polovina vyrobeného Sn se spotřebuje na slitiny
s nízkou teplotou tání (měkké pájky, cínové kompozice)
a spolu s Cu na výrobu bronzů
cínový mor - kovová β-modifikace stabilní nad 13,2°C, pod touto
teplotou stabilní šedý, práškový a-cín; autokatalytický proces,
není chemická destrukce; možné omezení přídavkem Sb, Bi (brání
rekrystalyzaci)8
total 33
ZINEK - Zn
7140 kg/m3, Ttá = 419°C
Zn je bílý kov s modrošedým odstínem, středně
tvrdý a za normální teploty křehký
dobře odolává atmosférickým vlivům, mořské vodě
i organickým látkám
hlavní oblasti použití Zn - povrchová ochrana
zejména ocelí (žárové pozinkování)
mosazi
významné jsou sloučeniny Zn jako např. oxid
zinečnatý ZnO (zinková běloba) či tzv. bílá skalice
(použití v lékařství, při galvanickém pozinkování)
9
total 33
LEHKÉ KOVY
technicky nejvýznamnější jsou hořčík, hliník, titan
HOŘČÍK - Mg
1738 kg/m3, Ttá = 650°C
Mg je nejlehčí z konstrukčních kovů, za studena
špatně tvárný, snadno koroduje
zejména při vyšších teplotách je velmi reaktivní a jeho
výroba a zpracování jsou tudíž obtížné
hlavní oblasti použití Mg
• redukční činidlo při výrobě Ti,
• modifikátor při výrobě tvárné litiny,
• přísada do slitin Al (dobrá pevnost a odolnost proti
korozi),
• vlastní slitiny Mg (zejména slévárenské slitiny pro
automobilový a letecký průmysl, kde se používají v
omezené míře jako náhrada slitin Al) 10
total 33
HLINÍK - Al
Ttá =660°C, 2698 kg/m3
Al je stříbrobílý, lehký a tvárný kov, dobrý vodič
elektrického proudu (asi 60 % vodivosti Cu) a tepla
Al je nejrozšířenější kov v zemské kůře a spotřebou
druhý nejvýznamnější po Fe
za normálních podmínek je Al velmi stálý, při zahřátí
se však stává silně reaktivním
pro výrobu Al je nejvýznamnější ruda bauxit, což je v
podstatě Al203 s neurčitým obsahem vázané vody
z taveniny tohoto oxidu ve směsi s kryolitem se
elektrolyticky získává kovový hliník
1886 - patentována výroba hliníku
od roku 1890 zahájena výroba v průmyslovém měřítku
hliník může být vyráběn i v práškové formě — je
vyráběn z hliníku čistoty min. 99% 11
total 33
hlavní oblasti použití Al
• elektrotechnický průmysl (elektrovodný
materiál, kondenzátory),
• chemický a potravinářský průmysl (dobrá
tepelná vodivost a odolnost proti korozi v
kyselém prostředí),
• obaly a ochranné povlaky (Alobal),
• velká část Al se spotřebuje při výrobě slitin Al
(slitiny k tváření a slévárenské slitiny se širokým
použitím zejména v automobilovém a leteckém
průmyslu)
12
total 33
Al lze pájet měkkou i tvrdou pájkou popř. s
použitím ultrazvuku
při obrábění se maže
pozor na spoje Cu + Al (cupalové [70% Al + 30%
Cu], příp. pozinkované spojky)
Slitiny hliníku
• slévárenské
• k tváření(vytvrditelné x nevytvrditelné)
13
total 33
Tepelné zpracování hliníkových slitin- účelem je
získat určitý nerovnovážný stav struktury, který
zajišťuje požadované vlastnosti výrobku.
u tvářených slitin převažuje ve struktuře primární
tuhý roztok hliníku, u slévárenských slitin ve
struktuře převažuje eutektikum.
skládá se z:
a) rozpouštěcího žíhání
b) rychlého ochlazení
c) vytvrzování (stárnutí)
14
total 33
ad a) rozpouštěcí žíhání
Tímto pojmem rozumíme ohřev a dostatečnou výdrž na takové teplotě, při které dojde
k maximálnímu převedení přísady do tuhého roztoku hliníku. Při homogenizačním
ohřevu nesmí dojít k překročení teploty solidu, aby nedošlo k natavení hranic zrn
slitiny. V takovém případě dochází k degradaci mechanických vlastností materiálu.
Nejčastěji se používá žíhání rekrystalizační
ad b) rychlé ochlazení
Provádí se nejčastěji do vody. Cílem je vznik přesyceného tuhého roztoku při teplotě
okolí, u kterého je obsah rozpuštěné příměsi vyšší než odpovídá její rovnovážné
rozpustnosti při dané teplotě. Veškerá manipulace se slitinou se musí provádět co
nejrychleji, aby nedocházelo k částečnému rozpadu tuhého roztoku hliníku. U
masivnějších součástí, kde hrozí nebezpečí deformací se používají jiná, méně
razantnější ochlazovací média.
ad c) vytvrzování (stárnutí)
Přesycený tuhý roztok je termodynamicky nestabilní, dochází k jeho rozpadu. U
některých slitin dochází k rozpadu, přesyceného tuhého roztoku již při teplotě okolí -
pochod označujeme jako přirozené stárnutí. Při umělém stárnutí se proces urychlí
ohřevem.
Při delší výdrži na teplotě stárnutí dochází k nežádoucímu hrubnutí rovnovážného
precipitátu, klesá tvrdost. Toto stádium označujeme jako přestárnutí
15
total 33
Sériově vyráběná celohliníková karosérie
• Audi A8 (1994) – prostorový rám AFS
• Lotus Elise (1996) – hliníkový rám, karoserie
plastová
• Audi A2 (1999)
• Honda Insight (1999)
• Ferrari 360 (1999) – rám i karoserie
• Lamborghini Gallardo (2003)
• Rolls-Royce Phantom (2003)
16
total 33
TITAN – Ti
Ttá =1660°C, 4560 kg/m3
nemagnetický polymorfní kov, jehož význam
značně vzrostl po II. světové válce
rudy – ilmenit (FeTiO3) a rutil (TiO2)
hlavními výhodami Ti - nízká měrná hmotnost a
zároveň vysoká pevnost (- do 800 MPa, / do
1600 MPa, do 1800 MPa; ocel až 2800 MPa),
dobrá vrubová houževnatost i za nízkých teplot a
dobrá odolnost proti korozi
vysoký poměr mezi pevností a hustotou (i v rámci
kovových materiálů)
hlavní nevýhodou Ti je obtížné zpracování,
způsobené hlavně vysokou reaktivitou Ti za teplot
nad 700°C, možnost vznícení titanového prachu a
třísek17
total 33
Ti má špatnou obrobitelnost (nízká tepelná
vodivost ⇒ nalepování na břit obráběcího nástroje)
špatné třecí vlastnosti – zadírá se
2 krystalové modifikace –
• α hexagonální – pevnost 250 až 500 MPa
• β kubická plošně centrovaná - pevnost 1000 až
1200 MPa
α-β (Ti 6Al-4V, 70% všech legovaných slitin)
pevnost cca 900 MPa
hlavní oblasti použití Ti –
• chemický, papírenský a textilní průmysl (využívá
se zejména odolnost proti Cl a jeho
sloučeninám),
• součásti lodí (využívá se výborná odolnost proti
mořské vodě), 18
total 33
hlavní oblasti použití Ti (pokrač.)–
• letecký a automobilový průmysl,
• zdravotní nezávadnost Ti dovoluje jeho použití v
potravinářském a farmaceutickém průmyslu, v
chirurgii (nástroje, šrouby, implantáty),
slitiny Ti - používají se zpravidla tehdy, nevyhovují-
li slitiny Al
19
total 33
KOVY SE STŘEDNÍ TEPLOTOU TÁNÍ
technicky nejvýznamnější jsou měď, nikl, mangan
MĚĎ - Cu
Ttá =1084°C, 8940 kg/m3
Cu - kov načervenalé barvy s výbornou tepelnou i
elektrickou vodivostí, velmi dobrou tvárností za
tepla i za studena - tvárnost si zachovává i při
záporných teplotách
vyznačuje se dobrou korozní odolností jak vůči
atmosférickým vlivům (měděnka x CuO) tak i vůči
řadě chemikálií
k přednostem Cu patří též dobrá obrobitelnost a
svařitelnost, naopak špatná je slévatelnost
Cu je po Fe a Al třetí nejpoužívanější kov 20
total 33
hlavní oblasti použití Cu –
• v elektrotechnice jako elektrovodný materiál,
• zařízení vystavená nízkým teplotám,
• střešní krytina, okapové žlaby a svody,
• nádoby v potravinářském průmyslu,
• plátování ocelových plechů,
• asi polovina vyrobené Cu se používá k výrobě slitin,
a to buď mosazí nebo bronzůHistorie mědi - měď je jedním z mála kovů, které znal člověk už v dobách
prehistorických. Nejprve byla měď užívána samotná, později v podobě slitin (As, Pb,
Zn, Sn atd.). Tyto slitiny byly velmi proměnlivého složení a jsou společně nazývány
bronzy. Byly užívány tak hojně, že daly název celé historické epoše - doba bronzová.
Počátek znalosti bronzu sahá v různých zemích do dob velmi různých. Např. v Egyptě
byla měď známa už 4000 př.n.l., ve střední a severní Evropě se počátek doby bronzové
datuje teprve kolem roku 2000 př.n.l.
Název mědi - cuprum - je odvozen od římského názvu aes cyprium ( dle ostrova
Kypru), kde se ve značném množství těžila. Označována tak nebyla pouze měď čistá,
ale i její slitiny. Pojem bronz (bronzo) se objevuje poprvé ve spise Pirotechnica (
Vannucio Biringoccio). 21
total 33
Slitiny mědi - mosazi
mosazi tvoří asi 80% všech slitin mědi
dělení do několika skupin
• dle chemického složení na dvousložkové a
vícesložkové
• dle způsobu zpracování na tvářené a slévárenské
dvousložkové mosazi - zinek tvoří s mědí jednak
primární tuhé roztoky (α, γ), ale také řadu
intermediárních fází
některé jsou velmi křehké ⇒k tváření slitiny s
obsahem Zn max. 42% a to pouze vícesložkové vliv příměsí na vlastnosti mosazí je podobný, jako u mědí
• zpravidla ale neobsahují vodík a kyslík
• železo zjemňuje zrno při rekrystalizaci, ale snižuje odolnost proti korozi
• s rostoucím obsahem zinku se nejprve zvyšuje pevnost i tažnost
• maximum pevnosti je při 46% obsahu Zn
• maximum tažnosti ovšem mosaz dosahuje při 30% obsahu Zn
• olovo snižuje tvářitelnost, ale zlepšuje obrobitelnost
• na vzduchu korodují tyto mosazi pomalu
• koroze ve vodě je závislá na jejich složení. Naproti tomu velmi rychle působí na
mosaz HCl a HN0322
total 33
Slitiny mědi – bronzy ostatní slitiny Cu
s výjimkou mosazí – Sn, Pb, Al, …
⇒Zn není nikdy v bronzu hlavní přísadou
dělení
• dvousložkové a vícesložkové
• slévárenské a tvářené
dvousložkové bronzy - cínové bronzy -
krystalizační poměry slitin Cu a Sn jsou velmi
složité a rovnovážné poměry se těžko určují, proto
vyžaduje především při nižších teplotách silné
tváření, na něž navazuje dlouhá prodleva na určité
teplotě
23
total 33
již malé přísady Sn zvyšují pevnost mědi
maximum pevnosti bronzy s obsahem 10 až 15% Sn
bronzová tyč se při tahové zkoušce přetrhne vždy v
místě s max. napětím, tzn. bez místní kontrakce, proto
s větší pevností roste i tažnost
Hliníkové bronzy - technické hliníkové bronzy
obsahují do 10% Al, ale zpravidla mají ještě 2 až 8%
přísad (Mn, Ni a Fe)
lepší odolnost proti korozi než mosazi nebo cínové
bronzy (ochranné povrchové vrstvy tvořené oxidy
hliníku a mědi)
dobře odolávají mořské vodě, atmosférické korozi,
minerálním kyselým vodám a mnoha organickým
kyselinám
24
total 33
některé bronzy se mohou kalit a popouštět
další běžné bronzy – fosforové, manganové, niklové,
kadmiové, křemíkové, olověné, …
duraly
25
total 33
Al bronz nástrojová ocel
NIKL - Ni
Ttá = 1455°C, 8908 kg/m3
Ni je drahý feromagnetický kov s velmi dobrou korozní
odolností a dobrými mechanickými vlastnostmi i v
čistém stavu
hojně zastoupený v kovových meteoritech; deficitní kov
významnou vlastností Ni je vysoká vrubová
houževnatost i při nízkých teplotách
hlavní oblasti použití Ni
• asi 60 % Ni se spotřebuje jako přísada do slitinových
ocelí,
• v elektrotechnice se Ni využívá pro regulační odpory
či odporové teploměry,
• elektrolytické a chemické pokovování
• asi 25% spotřeby představují vlastní Ni slitiny
(slitiny se zvláštními fyzikálními vlastnostmi a slitiny
žárovzdorné a žáropevné) 26
total 33
MANGAN - Mn
7210 kg/m3, Ttá = 1246°C
Mn je kov šedé barvy, tvrdý a křehký
na vzduchu poměrně rychle oxiduj e, rozpouští se v
kyselinách, rozkládá vodu
hlavní oblasti použití Mn - většina se spotřebuje
jako přísada do ocelí - jedná se o jednu z
nejběžnějších přísad většinou u levných legovaných
ocelí, kde působí především na zvýšení pevnosti
Mn bývá často součástí železné rudy (izomorfní),
proto se dostává do oceli i jako přirozená příměs
podobně jako Si, P či SPozn.: Zatímco Mn a Si jsou v určitých množstvích považovány při výrobě
oceli za užitečné příměsi, P a S jsou obecně považovány za příměsi
škodlivé, a proto se musí jejich obsah minimalizovat. Obsah Mn nebo Si,
spolu s rychlostí ochlazování, je zároveň rozhodující pro to, zda proběhne
krystalizace podle stabilního či metastabilního diagramu soustavy Fe - C 27
total 33
UŠLECHTILÉ KOVY
technicky nejvýznamnější jsou zlato, stříbro, platina
ZLATO-Au
19300 kg/m3, Ttá = 1064°C
kov žluté barvy - je nejznámější z ušlechtilých kovů,
zejména proto, že bylo dříve využíváno i jako platidlo
a je považováno za nejcennější kov ve šperkařství
zcela normální kov bez současné nadhodnocené
ceny
je výborným vodičem elektrického proudu a tepla,
není příliš pevné
velmi tvárné (za studena jej lze vytepat na fólii o
tloušťce až 0,0001 mm)
má vynikající korozní odolnost - po Pt je Au chemicky
nejodolnějším kovem 28
total 33
hlavní oblasti použití Au –
• elektrotechnický průmysl (vodiče, zlacené
kontakty),
• šperkařství,
• slitiny Au (využití rovněž v elektrotechnickém
průmyslu a ve šperkařství)
STŘÍBRO - Ag
10490 kg/m3, Ttá = 962°C
kov bílé barvy s velmi dobrou korozní odolností
má nejlepší tepelnou a elektrickou vodivost ze všech
kovů (měrný odpor [µΩcm] Au - 2,35; Ag - 1,629; Cu - 1,75)
hlavní oblasti použití Ag
• elektrotechnický průmysl (vodiče, pojistky,
kontakty),
• šperkařství,
• ochranné vrstvy pro chemický průmysl,
• slitiny Ag (využití v elektrotechnickém průmyslu a
jako tvrdé pájky)29
total 33
PLATINA-Pt
21450 kg/m3, Ttá = 1768 °C
hlavním představitelem skupiny tzv. platinových kovů
(Pt, Pd, Rh, Ir, Os)
charakteristická především vysokou chemickou
stálostí a odolností proti oxidaci za vysokých teplot
(pozor na uhlík za vys. T)
stejně jako všechny ušlechtilé kovy patří k nejdražším
kovovým materiálům
hlavní oblasti použití Pt
• elektrotechnický průmysl (speciální elektronky,
kontakty, potenciometry, elektrody zapalovacích
svíček)
• laboratorní kelímky a misky,
• trysky k výrobě skelných a syntetických vláken,
• katalyzátor v chemickém, … průmyslu,
• slitiny Pt (topné spirály, termočlánky) 30
total 33
KOVY S VYSOKOU TEPLOTOU TÁNÍ
technicky nejvýznamnější chrom, molybden, wolfram
CHROM-Cr
Ttá=1907°C, 7150 kg/m3
bílý kov s nádechem do modra, lesklý a tvrdý, na
vzduchuje velmi stálý
sloučeniny Cr jsou jedovaté a zpravidla výrazně
zabarvené, proto se často používají jako barviva
hlavní oblasti použití Cr
• přísada do tzv. korozivzdorných ocelí - aby se však ocel
dala označit jako korozivzdorná musí teoreticky obsahovat více než
11,5% volného Cr (prakticky více než 14% Cr),
• v menších množstvích zvyšuje Cr výrazně prokalitelnost ocelí,
• galvanické pokovování různých součástek a
předmětů, které jsou takto chráněny před oxidací a
mají hladký a lesklý povrch ⇒ dekorativní nebo
funkční povlaky31
total 33
MOLYBDEN – Mo
Ttá=2623°C; 10280 kg/m3
tvrdý, křehký kov, chemicky stálý, s vysokou teplotou
tání
hlavní oblasti použití Mo
• legování při výrobě ocelí, kde působí na zvýšení
žáropevnosti, prokalitelnosti, korozní odolnosti atd.,
• výroba slinutých karbidů pro řezné nástroje,
• v elektrotechnice na kontakty, magneticky měkké
slitiny, elektronky, rentgenové lampy, odporové
materiály ve vakuu pro teploty 1600 až 2000°C,
• dobrá odolnost proti korozi ⇒ při výrobě armatur,
míchadel a nádob v chemickém průmyslu
32
total 33
WOLFRAM-W
Ttá=3422°C; 19250 kg/m3
má podobné vlastnosti jako Mo, jeho teplota tání je
nejvyšší mezi kovy
tvoří velmi tvrdé a stálé karbidy
hlavní oblasti použití W
• typickým přísadovým kovem u nástrojových ocelí,
zejména pak u tzv. rychlořezných ocelí (zvyšuje
odolnost proti otěru a řezivost nástroje), dále se
používá u ocelí pro práci za vyšších teplot
• kontakty s dobrou odolností proti opotřebení, pro
vlákna žárovek, elektronky, speciální lampy,
• svařovací elektrody (TIG),
• topné odpory vakuových pecí pro vysoké teploty
apod.
• karbidy – velmi tvrdé, základem slinutých
tvrdokovů 33
total 33